一种低膨胀硅碳负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种低膨胀硅碳负极材料及其制备方法，主要涉及锂离子电池领域。包括硅碳颗粒，所述的硅碳颗粒包括多孔材料与纳米级硅基材料的复合颗粒、碳包覆层、石墨和有机物裂解碳；所述多孔材料与纳米级硅基材料的复合颗粒的结构为多孔材料的孔中沉积纳米级硅基材料的硅层。本发明专利技术的有益效果在于：采用硅源裂解沉积在多孔材料中的纳米复合结构，容量高，孔中只沉积部分硅层，给纳米级硅基材料循环过程提供了膨胀空间，使得硅碳负极材料膨胀小，循环性能提升。循环性能提升。循环性能提升。

【技术实现步骤摘要】
一种低膨胀硅碳负极材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池领域，具体是一种低膨胀硅碳负极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池作为一种性能优异的储能装置，具有能量密度高、能量转化效率高的特点，引起广泛的关注，为了实现锂离子电池在环保清洁、无污染排放的新能源汽车上的应用，开发高能量、高功率密度、高安全性能的新一代锂离子电池极为迫切。
[0003]由于具有较高的储锂容量(理论容量4200mAh/g)和丰富的资源，硅材料被认为是开发新一代高比能量及高功率密度的锂离子电池负极材料的理想候选材料之一。然而，硅材料在脱嵌锂体积膨胀收缩较大，导致容量衰减较快，其应用受到限制。因此，抑制硅材料的体积膨胀，提高材料的结构稳定及导电率将加速硅碳负极应用。
[0004]现有专利CN103367727A，采用将纳米硅嵌夹在颗粒状石墨空隙之间有机裂解碳包覆纳米硅/石墨聚合体，虽然避免了纳米硅和电解液接触导致副反应以及为纳米硅膨胀留下了空间，一定程度上提升了材料的循环性能，但是制备过程纳米硅存在团聚现象，在循环过程中纳米硅自身的膨胀，长循环过程仍然存在颗粒有机裂解碳破碎，导致纳米硅直接与电解液接触，造成循环下降。
[0005]现有专利CN106384825B，采用提前将微米硅、沥青和其他碳源进行机械球磨，然后采用高温高压制备的硅碳复合微球中的硅粒径大，在循环过程中颗粒内部存在受力分布不均匀，长时间循环，相比于纳米级硅颗粒更容易破碎，导致容量衰减，循环变差。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种低膨胀硅碳负极材料及其制备方法，它采用硅源裂解沉积在多孔材料中的纳米复合结构，容量高，孔中只沉积部分硅层，给纳米级硅基材料循环过程提供了膨胀空间，使得硅碳负极材料膨胀小，循环性能提升。
[0007]本专利技术为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
[0008]一种低膨胀硅碳负极材料，包括硅碳颗粒，所述的硅碳颗粒包括多孔材料与纳米级硅基材料的复合颗粒、碳包覆层、石墨和有机物裂解碳；
[0009]所述多孔材料与纳米级硅基材料的复合颗粒的结构为多孔材料的孔中沉积纳米级硅基材料的硅层；
[0010]所述碳包覆层位于多孔材料与纳米级硅基材料的复合颗粒表面；
[0011]所述多孔材料的孔中沉积纳米级硅基材料的复合颗粒和石墨均匀分布于有机物裂解碳中。
[0012]进一步的，所述多孔材料为多孔碳骨架、多孔陶瓷、多孔金属及多孔金属合金中的一种或多种。
[0013]进一步的，所述纳米级硅基材料包括单质硅材料、硅合金材料、和硅氧材料中的至少一种。
[0014]进一步的，所述石墨的质量分数为0％
‑
80％，粒径中值为2
‑
20μm。
[0015]进一步的，所述多孔材料中沉积硅层厚度为2
‑
40nm。
[0016]进一步的，所述多孔材料的粒径为50nm
‑
2μm，孔径为5
‑
50nm，比表面积为300
‑
2000m2/g。
[0017]进一步的，硅元素在所述硅碳颗粒中的质量分数为2％～50％。
[0018]一种制备所述低膨胀硅碳负极材料的方法，包括以下步骤：
[0019]S1.将多孔材料置于回转炉中，调节回转炉的转速为0.1r/min
‑
5r/min，向其中通入硅源和氮气，多孔材料吸附硅源、经400℃
‑
650℃的高温硅源裂解沉积0.5h
‑
50h后得到孔中沉积硅层的多孔材料与硅的复合材料，降温冷却后，惰性气体清洗回转炉，改变温度，向回转炉中通入含碳源气体和氩气保护气，经高温裂解沉积得到碳包覆的多孔材料与纳米级硅基材料的复合颗粒；
[0020]S2.将步骤S1中得到的碳包覆的多孔材料与纳米级硅基材料的复合颗粒、分散剂、粘结剂和石墨在装有有机溶剂的搅拌器中以300
‑
2500rpm的转速搅拌至少0.2h后混合，干燥得到碳包覆的多孔材料复合纳米级硅基材料/石墨聚合体；
[0021]S3.将步骤S2中得到的碳包覆的多孔材料复合纳米级硅基材料/石墨聚合体加入至碳源前驱体的分散液中，经过200
‑
3000rpm的转速混合至少2h，然后干燥；
[0022]S4.将步骤S4中得到的物料在保护性气氛下进行700
‑
1100℃的高温碳化至少1h后，得到低膨胀硅碳负极材料。
[0023]进一步的，所述步骤S3中的分散液为水、乙醇、甲醇、磷酸三钠、二硅酸钠、偏硅酸钠、磷酸四钠、苯、甲苯、二甲苯、丙酮、甲基丁酮、环己酮、甲基异丁酮、醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丙酯、聚乙二醇或聚乙烯吡咯铜中的1种或至少2种的组合。
[0024]进一步的，所述低膨胀硅碳负极材料用于锂离子电池负极材料以及锂离子电池的制备。
[0025]对比现有技术，本专利技术的有益效果在于：
[0026]1、本专利技术没有直接采用成品的纳米级硅基材料，而采用硅源裂解沉积在多孔材料中的纳米复合结构，由于孔径较小，在5
‑
50nm范围内，导致沉积的纳米级硅基材料粒径较小，电池循环性好；
[0027]2、本专利技术采用硅源裂解沉积在多孔材料中的纳米复合结构，孔中只沉积部分硅材料，给纳米级硅基材料循环过程提供了膨胀空间，使得硅碳负极材料膨胀小，循环性能提升；
[0028]3、本专利技术采用硅源裂解沉积在多孔材料中的纳米复合结构，复合颗粒粒径大于纳米级硅基材料尺寸，降低使用过程中的分散难度，且降低颗粒碳包覆的难度，使得碳包覆时碳有效利用率高；
[0029]4、采用小尺寸的多孔材料中沉积纳米级硅基材料，相较于大尺寸的多孔材料，能有效提升多孔材料中孔的利用率，减少扩散路径，提升硅在颗粒内部的分布；
[0030]5、本材料制备成本低廉，工艺简单可控，有利于推广应用。
附图说明
[0031]附图1是本专利技术的结构示意图。
[0032]附图2是本专利技术的多孔材料与纳米级硅基材料的复合颗粒的结构示意图。
[0033]附图3是本专利技术的实施例1的首周充放电曲线图。
[0034]附图4是本专利技术的实施例1与对比例1的50周循环容量保持率图。
[0035]附图中所示标号：
[0036]1、多孔材料；2、纳米级硅基材料；3、复合颗粒；4、碳包覆层；5、石墨；6、有机物裂解碳。
具体实施方式
[0037]下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
[0038]一种低膨胀硅碳负极材料，包括硅碳颗粒，所述的硅碳颗粒包括多孔材料与纳米级硅基材料的复合颗粒、碳包覆层、石墨和有机物裂解碳；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低膨胀硅碳负极材料，其特征在于：包括硅碳颗粒，所述的硅碳颗粒包括多孔材料与纳米级硅基材料的复合颗粒、碳包覆层、石墨和有机物裂解碳；所述多孔材料与纳米级硅基材料的复合颗粒的结构为多孔材料的孔中沉积纳米级硅基材料的硅层；所述碳包覆层位于多孔材料与纳米级硅基材料的复合颗粒表面；所述多孔材料的孔中沉积纳米级硅基材料的复合颗粒和石墨均匀分布于有机物裂解碳中。2.根据权利要求1所述一种低膨胀硅碳负极材料，其特征在于：所述多孔材料为多孔碳骨架、多孔陶瓷、多孔金属及多孔金属合金中的一种或多种。3.根据权利要求1所述一种低膨胀硅碳负极材料，其特征在于：所述纳米级硅基材料包括单质硅材料、硅合金材料、和硅氧材料中的至少一种。4.根据权利要求1所述一种低膨胀硅碳负极材料，其特征在于：所述石墨的质量分数为0％
‑
80％，粒径中值为2
‑
20μm。5.根据权利要求1所述一种低膨胀硅碳负极材料，其特征在于：所述多孔材料中沉积硅层厚度为2
‑
40nm。6.根据权利要求1所述一种低膨胀硅碳负极材料，其特征在于：所述多孔材料的粒径为50nm
‑
2μm，孔径为5
‑
50nm，比表面积为300
‑
2000m2/g。7.根据权利要求1所述一种低膨胀硅碳负极材料，其特征在于：硅元素在所述硅碳颗粒中的质量分数为2％～50％。8.一种制备权利要求1
‑
7任一项所述低膨胀硅碳负极材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.将多孔材料置于回转炉中...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄杰，刘冬冬，江沛容，
申请(专利权)人：四川物科金硅新材料科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：